Выделение тепла при контакте активированного цеолита с раствором хлорида лития обусловлено двумя основными физико-химическими процессами:
- теплота адсорбции (гидратация): Активированный цеолит представляет собой обезвоженный (прокаленный) пористый каркас. При попадании в водный раствор молекулы воды из гидратных оболочек ионов лития и свободная вода стремительно заполняют микропоры цеолита. Процесс связывания воды (гидратация внутренней поверхности) является сильно экзотермическим — энергия выделяется за счет образования новых связей между молекулами воды и активными центрами цеолита.
- ионный обмен: Цеолиты действуют как ионообменники. Ионы лития из раствора замещают катионы (обычно натрия или кальция), находящиеся в структуре цеолита. Литий обладает очень высокой плотностью заряда и малым радиусом, что приводит к сильному взаимодействию с каркасом цеолита. Энергия, выделяемая при вхождении ионов лития в специфические позиции (например, участки SIII в цеолитах типа X), вносит дополнительный вклад в общий разогрев системы.
В совокупности эти процессы делают систему «цеолит + LiCl» эффективной для термохимического хранения энергии, где плотность запасаемого тепла может быть на 30% выше, чем у чистого цеолита с водой.
Пример из практики.
«Study of sorption properties of lithium and potassium inoculated NaA zeolite sorbent» (М. А. Кузин и соавт., опубликована в журнале «Экология и промышленность России», 2015 г.) напрямую объясняет этот эффект. В статье этот эффект рассматривается как фактор, влияющий на эффективность очистки солевых плавов от радионуклидов. Высокая сорбционная способность по отношению к литию (подтверждаемая выделением тепла при погружении активированного цеолита в модифицирующий раствор) позволяет использовать такие сорбенты для селективного извлечения компонентов в сложных солевых системах.
Резюме: в статье продемонстрировано, что тепловыделение — это индикатор глубокой химической модификации поверхности и пор цеолита при ионном обмене, где литий выступает «активным игроком» из-за своего малого радиуса и высокой энергии взаимодействия с алюмосиликатным каркасом.